Acetylxylanesterase

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Hemicellulose ist eine reichlich vorhandene und erneuerbare Biomasseressource, die weiter erschlossen und genutzt werden muss. Der Abbau von Hemicellulose zu Zuckern zur Herstellung von Xylit und anderen Chemikalien ist ein zentraler Schritt bei der Nutzung von Biomasseressourcen. Acetylxylanesterase ist ein wichtiges Enzym für den Abbau von Hemicellulose. Sie kann die O‑Acetylgruppen an den Positionen 2 und 3 der Xylose‑Reste in acetyliertem Xylan hydrolysieren. Acetylxylan bietet ein breites Anwendungsspektrum in der Landwirtschaft sowie in der Lebensmittelindustrie.

Abbildung 1. Proteinstruktur der Acetylxylanesterase.

Klassifizierung und mikrobieller Ursprung

Auf Grundlage der Ähnlichkeit der Aminosäuresequenz werden Acetylxylanesterasen aus unterschiedlichen Mikroorganismen den CE‑(Carbohydrate Esterase-)Familien 1–7 sowie 12 zugeordnet. Acetylxylanesterasen aus Pilzen wie Aspergillus, Penicillium, Schizophyllum und Trichoderma sowie Acetylxylanesterasen aus Bakterien gehören überwiegend zu den CE‑Familien 1 und 5. Acetylxylanesterasen aus dem anaeroben Bakterium Neocallimastix patriciarum gehören zu den CE‑Familien 2, 3 und 6; aus Streptomyces stammende Acetylxylanesterasen werden der CE‑Familie 4 zugeordnet und weisen Homologien zu Chitin‑Deacetylasen von Rhizobien und einigen Hefen auf.

Enzymatische Eigenschaften der Acetylxylanesterase

Im Allgemeinen liegt die Molekülmasse der Acetylxylanesterase als monomeres Enzym bei 23–48 kDa. Die meisten aus Pilzen und einigen Bakterien gewonnenen Acetylxylanesterasen sind typische Monomere, während bestimmte thermophile anaerobe Bakterien (z. B. Stamm R1) Acetylxylanesterasen in oligomerer Form aufweisen. Isoelektrischer Punkt, Molekülmasse sowie Temperatur- und pH‑Arbeitsbereich variieren in Abhängigkeit vom jeweiligen Mikroorganismus.

Thermostabilität und optimale Reaktionstemperatur

Die Thermostabilität ist ein wichtiger Parameter zur Bewertung der industriellen Einsetzbarkeit von Enzymen. Die optimale Reaktionstemperatur von Acetylxylanesterasen unterschiedlicher Herkunft liegt meist zwischen 45 und 60 °C. Einige aus thermophilen Bakterien und bestimmten Pilzen isolierte Acetylxylanesterasen weisen höhere optimale Reaktionstemperaturen auf. Die aus Tengcongensis gereinigte Acetylxylanesterase erreicht eine optimale Reaktionstemperatur von bis zu 60 °C und verliert bei 65 °C über 100 min nur etwa 10 % ihrer Aktivität, was auf eine gute Thermostabilität hinweist. Die aus Streptomyces lividans gereinigte Acetylxylanesterase zeigt eine optimale Reaktionstemperatur von bis zu 70 °C. Höhere optimale Reaktionstemperaturen und eine ausgeprägte Hitzebeständigkeit erhöhen den industriellen Nutzen; daher sind weitere thermophile Acetylxylanesterase‑Gene noch zu identifizieren.

Optimaler pH‑Wert der Acetylxylanesterase

Der optimale pH‑Wert von Acetylxylanesterasen aus Pilzen ist überwiegend schwach sauer bis neutral, während der optimale pH‑Wert bakterieller Acetylxylanesterasen tendenziell alkalischer ist als der von Pilzen. Moriyoshi et al. exprimierten das aus dem Bakterium e subterraneus klonierte Acetylxylanesterase‑Gen in E. coli; der optimale pH‑Wert der exprimierten Acetylxylanesterase lag bei 8,0.

Einfluss von Metallionen auf die Aktivität der Acetylxylanesterase

Neben Temperatur und pH‑Wert beeinflussen auch Metallionen die Enzymaktivität erheblich. Für industrielle Anwendungen ist die Aktivierung oder Inhibition durch bestimmte Metallionen ein wesentlicher Parameter zur Beurteilung der industriellen Verwendbarkeit. Studien zeigen, dass Metallionen je nach Herkunft unterschiedliche Effekte auf Acetylxylanesterasen ausüben.

Anwendungen

Der industrielle Abbau von Xylan erfolgt häufig mittels saurer oder alkalischer Verfahren; diese Hydrolyseprozesse sind jedoch oft mit Nebenreaktionen verbunden, die vermehrt toxische Substanzen erzeugen. Diese können nachfolgende mikrobielle Fermentationsschritte inhibieren, und die entstehenden sauren bzw. alkalischen Abwässer erhöhen die Umweltbelastung. Aufgrund ihrer milden Prozessbedingungen und ökologischen Vorteile wird die enzymatische Xylan‑Degradation daher künftig voraussichtlich den Hauptweg darstellen. Als Mitglied der Hemicellulase‑Familie besitzt die Acetylxylanesterase ein gutes Anwendungspotenzial. Im Kontext der Konstruktion von Produktionsstämmen ist die Forschung zur Acetylxylanesterase von großer Bedeutung für die Entwicklung von Hemicellulase‑Engineering‑Bakterien mit hoher Ausbeute und ausgeprägter Synergie. In industriellen Anwendungen kann Acetylxylanesterase synergistisch mit Endoxylanase und β‑Xylosidase wirken, um Hemicellulose vollständig zu Xylose und anschließend zu Xylit abzubauen. Darüber hinaus können einige Acetylxylanesterasen zur Abspaltung von Acetylgruppen aus Chitin eingesetzt werden, sodass Chitosan enzymatisch hergestellt werden kann, was breite Anwendungsperspektiven in Medizin, Textil-, Papier- und Kosmetikindustrie eröffnet.

Referenz

1. Pouvreau L.; et al. Characterization and mode of action of two acetyl xylan esterases from Chrysosporium lucknowense C1 active towards acetylated xylans. Enzyme andMicrobial Technology, 2011, 49(3): 312-320.